Ультразвуковой чип

Широко используемые для мониторинга и записи биологических сигналов, поддержки и усиления физиологических функций, а также для лечения заболеваний, имплантируемые медицинские устройства трансформируют здравоохранение и улучшают качество жизни миллионов людей. Исследователи все больше интересуются разработкой беспроводных имплантируемых медицинских устройств для мониторинга функций органов и всего организма in vivo и in situ. Эти устройства могут использоваться для контроля температуры, артериального давления, уровня глюкозы и параметров дыхания как для диагностических, так и для терапевтических целей.

На сегодняшний день имплантируемая электроника крайне неэффективна по объему – для нее обычно требуется несколько микросхем, корпус, провода и внешние преобразователи, а для хранения энергии часто нужны батареи. Постоянной тенденцией в электронике является более тесная интеграция электронных компонентов, переносящая все больше функций на саму интегральную схему.

Группа инженеров Колумбийского университета разработала самую маленькую в мире однокристальную систему объемом менее 0,1 мм³. Внутреннее устройство системы видно только под микроскопом. 

Этот чип является полноценной функционирующей электронной системой. Дизайн был разработан инженером Чэнь Ши. Конструкция Ши уникальна своей объемной эффективностью – количеством функций, умещающихся в данном объеме. Традиционная радиочастотная связь не могла использоваться таким маленьким устройством, так как длина волны электромагнитного диапазона слишком велика по отношению к его размеру. Длина волны ультразвука на данной частоте намного меньше, и группа использовала ультразвук как для питания устройства, так и для беспроводной связи с ним. Они добавили пьезоэлектрические материалы непосредственно в схему, чтобы преобразовывать акустическую энергию в электрическую для связи и питания чипа.

Сенсорная функциональность in vivo была продемонстрирована для процедуры ультразвуковой нейростимуляции у мышей.

Чип, представляющий собой имплантируемую инъекционную частицу без дополнительной упаковки, был изготовлен Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) – тайваньской компанией, занимающейся изучением и производством полупроводниковых изделий. Он действует как зонд для измерения температуры в реальном времени, включая мониторинг температуры и её изменений в результате терапевтического применения ультразвука.

Устройство может быть адаптировано для восприятия других клинически значимых физиологических параметров.

Статья C.Shi et al. Application of a sub–0.1-mm³ implantable mote for in vivo real-time wireless temperature sensing опубликована в журнале Science Advances.

Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Columbia Engineering: Tiny, wireless, injectable chips use ultrasound to monitor body processes.